设备工程与管理ch2设备的可靠性与维修性机自10

第二章设备的可靠性和维修性强调设备的可靠性和维修性是基于现代化生产的需要，原因有二：一是现代化设备性能高、构造复杂，确保可靠性的必要性显著增加；二是随着设备向自动化方向发展，新技术被不断地采用和推广，进行设备可靠性的研究有了可能。设备可靠性、维修性三大影响因素：1、固有因素设备本身在设计、制造时已经决定了内在的、固有的可靠性和维修性2、人为因素设备在使用、维修过程中，操作人员与维修人员对设备可靠性，维修性有所影响3、环境因素设备所处的环境条件对设备可靠性、维修性的影响。一、设备可靠性1、可靠性设备在规定的时间内，规定的条件下，完成规定动能的性能（能力）。规定的条件主要包括三种：1）环境条件：温度、湿度、腐蚀性灰尘和气体、振动、冲击、地理等2）使用条件：连续生产、间断生产和满载、轻载等3）维护保养条件：操作者的技术熟练程度规定的功能：明确的功能指标，明确的发生故障或不能正常工作的界限。§2.1基本概念2、可靠度——表示可靠性的尺度用来表示设备在规定的时间内，规定的条件下，毫无故障地执行其规定功能的概率。简单说，就是研究对象在一定条件下不发生故障的概率。可靠度一般以时间函数来表示，称为可靠度函数R(t)。Y=R(t)曲线称为可靠度曲线。R(t)=P(Tt)0R(t)1T——设备的实际寿命t——某一规定的时间（规定寿命）§2.1基本概念二、设备的故障及相关概念1、故障定义故障：设备（系统）或零部件丧失其规定的功能的状态。注意：设备故障状态只有在运转状态下才能显现。异常、缺陷异常、缺陷是尚未发生故障，但已超出了正常状态，往往不久就会发展成故障，也成为故障前状态。§2.1基本概念2、设备故障分类1）按故障发生的速度分类突发性故障——由于各种不利因素和偶然的外界影响的共同作用超出了设备所能承受的限度而突然发生的故障。特点是无明显征兆，突然发生，依靠事前检查或监视不能预知。渐发性故障——由于各种影响因素的作用使设备的初始参数逐渐劣化、衰减过程逐渐发展而引起的故障。特点是一般有明显征兆，可早期发现。§2.1基本概念2）按故障发生的后果分类功能故障——设备不能继续完成自己规定功能的故障。往往由于个别零件损坏造成。参数故障——设备的工作参数不能保持在允许范围内的故障。属渐发性的，一般不妨碍设备的运转，但影响产品的加工质量。§2.1基本概念3）按故障的损伤程度分类允许故障——损伤可以容忍，不会引起严重后果的故障。不允许故障——由于设计时考虑不周，制造装配质量不合格，违反操作规程所造成的故障。4）按故障的易见性分类明显安全性故障——可能直接危及作业安全的故障。明显使用性故障——对使用能力或完成作业任务有直接影响的故障。§2.1基本概念明显非使用性故障——对使用能力或完成作业任务没有不利的直接影响的故障。隐蔽安全性故障——同另一故障（明显功能故障）结合后会危及作业安全的隐蔽功能故障。隐蔽经济性故障——同另一故障（明显功能故障）结合后不会产生安全性后果，但有经济性后果影响的故障。§2.1基本概念3、设备故障的典型模式1）故障模式含义故障的主要特征即故障的表现形式。2）常见的故障模式异常振动、磨损、疲劳、裂纹、破裂、过度变形、腐蚀、剥离、渗漏、堵塞、松弛、熔融、蒸发、绝缘劣化、异常声响、油质劣化、材质劣化、粘合及其他。回转机械的主要故障模式：异常振动、磨损、异常声响、裂纹、疲劳。静止设备的主要故障模式：腐蚀、裂纹、渗漏。§2.1基本概念4、故障的发生机理形成故障源的原因；诱发零部件、设备系统发生故障的物理、化学、电学与机械学过程；设备的某种故障在达到表面化之前，其内部的演变过程及其因果原理。1）设计错误应力过高，应力集中，材料、配合、润滑方式选用不当，对使用条件、环境影响考虑不周。§2.1基本概念2）原材料缺陷材料不符合技术条件，铸锻件缺陷，热处理变形，热处理缺陷等。3）制造缺陷切削、压力加工和装配缺陷，热处理、焊接和电镀缺陷，混料，热应力，管理混乱等。4）运转缺陷过载，过热，腐蚀，润滑不良，漏电，操作失误，维护和修理不当等。§2.1基本概念三、有关设备可靠性的几个函数★1、可靠度函数R(t)=P(Tt)2、累积故障密度函数F(t)表示在一段时间内，设备发生故障的概率。F(t)=P(Tt)0F(t)1与可靠度之间为互补关系，也称为不可靠度函数。F(t)+R(t)=1F(t)=1-R(t)§2.1基本概念理解：可靠度和不可靠度的估计值设t＝0时刻有N个完好设备（零部件）在工作，到达t时刻，有n(t)个设备（零部件）出现故障而失效，那么尚有N-n(t)个设备（零部件）在继续工作，则§2.1基本概念ttNtntF100)()(ttNtnNtR001)()(3、故障密度函数f(t)累积故障密度F(t)的导数dttdRdttRddttdFtf)())(1()()(tdttftFtR0)(1)(1)(§2.1基本概念tdttftF0)()(tdttf)(4、设备的故障率（失效率、危险率、故障强度）工作到某一时间的系统、设备、零部件等，在接着到来的单位时间内发生故障的概率。1）平均故障率2）瞬时故障率(t)一批设备（或零部件），在已正常工作到t时刻的条件下，在下一段时间（t＋t）内将要发生故障的条件概率。总工作时间某期间的总故障数§2.1基本概念a.估计值假定t＝0时刻，有N个完好设备（零部件）在工作，到t时刻有n(t)个设备（零部件）失效，尚有N-n(t)个设备（零部件）在继续工作，再让这些设备（零部件）工作一小段时间t，则在tt＋t时间内又有n(t)=n(t＋t)-n(t)个设备（零部件）失效，则在t的时间内，设备（零部件）失效的概率为那么在t时刻之后，每一单位时间内所发生的失效概率即为失效率。)()()()()(tnNtnttntnNtnttnNtnt1)()()(§2.1基本概念b.连续值)()()()()()()(1)()()(limlim00tRtfdttRtdFttRtFttFttnNtntttdttRtdRt)()()()(ln)()()(00tRtRtdRdtttttdttetF0)(1)(tdttetttRtf0)()()()()(§2.1基本概念tdttetR0)()(通常定义危险性▲如果设备的故障发生遵从指数分布，即每单位时间故障发生次数相等，(t)＝＝常数，则dtttHt0)()(ttHetfetRtt)()()(§2.1基本概念dttdHt)()()()(tHetR表3-1可靠性函数之间的关系§2.1基本概念R(t)F(t)f(t)(t)R(t)1-F(t)F(t)1-R(t)f(t)-dR(t)/dtdF(t)/dt(t)tdttf)(tdtte0)(dttdRtR)()(1dttdFtF)()(11tdttftf)()(tdttf0)(tdtte0)(1tdttet0)()(四、设备故障分布的基本类型1、故障率减小型（DFR型）故障率(t)随时间单调降低，也就是说，设备或零部件在开始使用时故障率高，随后逐渐降低。故障发生的原因：设备的结构、制造工艺、装配质量和材料上的某些缺陷。§2.1基本概念2、故障率恒定型（CFR型）故障率(t)＝＝常数，可靠度函数R(t)呈简单的指数分布。故障发生的原因：随机性，使用不当、操作上的疏忽或润滑密封、散热通风及类似维护条件不良等偶然原因。§2.1基本概念3、故障率增加型（IFR型）故障率(t)随时间的增加而升高，说明设备经过一段比较稳定的运行之后到达磨损老化阶段，若不采取维修措施，故障率随时间的延长，不断升高，最后导致全部损坏。故障密度函数多数f(t)多半近似正态分布。§2.1基本概念五、设备故障发生的规律及其描述★1、设备故障发生的规律——浴盆曲线（设备寿命特性曲线）§2.1基本概念2、设备的寿命周期1）早期故障期——设备安装调试过程至移交生产使用阶段（故障率趋于减少的时间）在构成设备的众多零部件中有少数在设计和制造阶段就有缺陷的零部件，它们在开始使用后的早期内，就往往承受不了应力而发生故障。缩短这一段时间，应在设备投入运行以前进行试车、试运转，以便及时发现，修正和排除缺陷，尽可能设法来加速失效率下降过程。§2.1基本概念2）偶发故障期——故障率基本为一常数的延续时间故障的发生是随机的，不可预测，对应设备的实际使用期，称正常工作期、有效寿命、使用寿命。延长这一段时间，就是希望在容许的费用内延长使用寿命。§2.1基本概念3）耗损故障期——故障率上升的时间设备中的某些零部件已经老化磨损，寿命衰竭。推迟这一阶段的到来，应通过可靠性预测，事先估计，及时修复或更换，使趋向上升的故障率又降下来，延长设备的有效寿命。§2.1基本概念3、设备故障发生的规律的描述——韦布尔分布。韦布尔分布可以将正态分布、指数分布、超指数分布统一地加以表现，其形状参数值能够反映出各种设备在其寿命周期内的故障机理。韦布尔分布表达式如下：0)()(tttHm01)()()(ttmdttdHtm0)(01)()(ttmmettmtf0)()(ttmetR§2.1基本概念m—形状参数，决定故障分布密度曲线的基本形状；m＝1，构成恒定型，即指数分布型m1，构成上升型，即正态分布型m1，构成下降型，即超指数分布型—位置参数，表示故障密度加大的位置，韦布尔分布函数用作可靠度函数时，一般从开始使用就存在着故障率，所以，多数取＝0；t0—尺度参数，起缩小或放大时间标尺的作用，不影响分布的形状。§2.1基本概念01)()()(ttmdttdHtm讨论：1）＝0，双参数的韦布尔分布2）m＝1，双参数的指数分布3）m=1且＝0，最简单的指数分布001)(ttettf001)(ttettf001)(ttmmettmtf§2.1基本概念六、设备的各项寿命及其指标★1、平均寿命一批零件（设备）从它们开始使用到发生故障时的平均工作时间，是用来标志设备平均能工作多长时间的特征量。不可修复（失效后无法修复或不修复而进行替换）的设备，平均寿命是指设备发生故障前的平均工作时间MTTF（meantimetofailure）；可修复设备，其平均寿命是指设备故障间平均工作时间MTBF（meantimebetweenfailure）。1）离散情况若设备的寿命T是一个离散型的随机变量，则常用统计方法，通过寿命试验，获得一系列寿命数据，再经过整理以求得平均寿命。假定从一批设备（零件）中随机抽取N个进行试验，从t＝0开始，在t1，t2，t3，，tn时刻，分别有r1，r2，r3，，rn个失效，则这批设备（零件）的平均寿命为n11iiiNrtNt＝零件（设备）总数工作时间所有零件（设备）的总§2.1基本概念有时为了统计的方便，一般取一个时间区间进行统计N—总的设备台数；tj—j区间的时间中间值Nfj——在j区间发生故障的设备数fj—相应的故障频率njjjnjfjjNftNtNt111§2.1基本概念NNffjj例2-1对一批设备（90台）进行故障统计，其具体数据如表所示，试求这批设备的平均寿命。§2.1基本概念顺序号区间距t（h）故障数Nfj101000421000200021320003000304300040002554000500086500060002§2.1基本概念顺序号区间距t（h）故障数Nfj区间中值故障频率fj（％）10100045004.4421000200021150023.4432000300030250033.3343000400025350027.7854000500084500